新聞主題	集裝箱發(fā)電機組箱體結構、表面處理和降噪設計

 

摘要：集裝箱式柴油發(fā)電機組由于采用標準集裝箱結構制造，具有模塊化、集成化、占地面積小、土建施工量少、投資少、建設周期短、便于移動(dòng)、運輸方便，有效防雨防風(fēng)沙、噪音低等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多客戶(hù)的青睞。在用電高峰期間，可以通過(guò)并網(wǎng)來(lái)實(shí)現當地電網(wǎng)的削峰，可以作為廠(chǎng)礦企業(yè)的備用電源，偏遠無(wú)市電區域也可以作為常用電源?？得魉构驹?/span>本文主要介紹了集裝箱式發(fā)電機組的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程，對設備整體結構進(jìn)行布置設計，對箱體內部的進(jìn)排風(fēng)及通風(fēng)散熱進(jìn)行理論計算并核對，對柴發(fā)噪聲及振動(dòng)進(jìn)行削減控制，最后通過(guò)試驗對發(fā)電機組的設計進(jìn)行了驗證，論證了設計的合理性及可行性。

 

 一、集裝箱式柴發(fā)結構

 

1、內部結構

      集裝箱式柴油發(fā)電機組內部結構方案如圖1、圖2所示。主要由遠置水箱、遠置水箱、主軸流風(fēng)機、發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、控制屏系統、工作室通風(fēng)軸流風(fēng)機和消聲器系統等組成。

（1）該款集裝箱發(fā)電機組通過(guò)中間的隔斷一分為二，左側為發(fā)電機組冷卻系統室，內置2組遠置水箱和1組冷卻用主軸流風(fēng)機；右側為發(fā)電機組工作室，內部安裝有發(fā)電機組及其控制屏系統。發(fā)動(dòng)機的中冷氣、高溫缸套水通過(guò)管路穿過(guò)隔斷后分別連接到遠置水箱相應的氣管水管處。發(fā)電機組工作室內發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機的熱輻射、發(fā)電機的散熱風(fēng)等通過(guò)頂置的2組軸流風(fēng)機來(lái)排掉。發(fā)電機組運行時(shí)，工作室內部的空氣受熱后會(huì )集聚在箱體頂部附近，軸流風(fēng)機位置處的排風(fēng)可形成對流，有助于加快工作室內設備的通風(fēng)換氣。

 

圖1  集裝箱式柴油發(fā)電機組內部結構側視圖

圖2  集裝箱式柴油發(fā)電機組內部結構平面圖

 

（2）集裝箱箱體為20尺貨柜標準尺寸，寬度和百葉窗尺寸如圖3所示，長(cháng)度和高度數據如圖4所示。

      結構上采用標準集裝箱框架制造，底側梁選用加厚矩形管，四個(gè)角立柱選用Q345D低合金鋼板折彎，瓦楞板選用B480耐候鋼板等，以提高箱體的整體機械強度，箱體前后均可開(kāi)門(mén)，方便用戶(hù)對發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、控制系統及冷卻系統的日常維護與檢修，箱體底部設有機油、冷卻液收集系統，通過(guò)管路直接引入到箱體外部，防止污染環(huán)境內部環(huán)境，控制屏和輸出開(kāi)關(guān)柜在箱體同側，方便用戶(hù)日常操作。箱體符合國際集裝箱安全公約的要求，能夠辦理箱證，整機成套好后可直接作為標準集裝箱海運，大大節省運輸成本。

 

圖3  集裝箱柴油發(fā)電機組長(cháng)寬高尺寸

圖4  集裝箱式柴油發(fā)電機組尺寸

 

2、外表處理

      發(fā)電機組集裝箱的鋼結構應有很好的保護，除了使用的涂料達到高要求之外，最關(guān)鍵的是鋼結構的表面處理（內外結構示例如圖5、圖6所示）。如果涂料系統沒(méi)有很好的基礎（表面處理），那么就會(huì )比預計的使用壽命要短，發(fā)電機組集裝箱的一般油漆設計為10年的使用壽命?？赡軙?huì )因表面處理不到位而降低涂裝的使用壽命。實(shí)際經(jīng)驗表明，表面處理質(zhì)量對涂層本身性能有著(zhù)比其他因素更大的影響。一旦選定了合適的涂料系統，如果表面處理很差，涂層質(zhì)量也會(huì )很差。只有良好的表面處理，涂覆的涂料才能發(fā)揮其效用。

（1）鋼結構表面除銹的常用方法

      金屬表面除銹方法：手工處理、機械處理、噴砂、噴丸處理、化學(xué)處理和火焰處理5種。

① 手工處理

      手工處理主要用鏟刀、鋼絲刷、砂布和斷鋼鋸條等工具，靠手工敲、鏟、刮、刷、砂的方法來(lái)達到清除鐵銹，這是漆工傳統的除銹方法，也是最簡(jiǎn)便的方法，沒(méi)有任何環(huán)境及施工條件限制，但由于效率及效果太差，只能適用小范圍的除銹處理。

② 機械除銹法

      機械除銹法主要是利用一些電動(dòng)、風(fēng)動(dòng)工具來(lái)達到清除鐵銹的目的。常用電動(dòng)工具如電動(dòng)刷、電動(dòng)砂輪；風(fēng)動(dòng)工具如風(fēng)動(dòng)刷。電動(dòng)刷和風(fēng)動(dòng)刷是利用特制圓形鋼絲刷的轉動(dòng)，靠沖擊和摩擦把鐵銹或氧化皮清除干凈，特別對表面鐵銹，效果較好，但對較深銹斑很難除去。電動(dòng)砂輪實(shí)際是手提砂輪機，可以在手中隨意移動(dòng)，利用砂輪的高速旋轉除去鐵銹，效果較好，特別對較深的銹斑，其工作效率高，施工質(zhì)量也較好，使用方便，是一種較理想的除銹工具。但在操作中須注意，不要把金屬表皮打穿。

③ 噴砂、噴丸處理法

      金屬表面噴砂除銹工藝是利用對空氣的壓力影響作用，把所需金屬粒度的噴砂工藝磨料通過(guò)噴槍?zhuān)瑢饘倭慵P蝕的表面進(jìn)行噴砂除銹處理。這種噴砂除銹工藝不僅去銹塊，還能對金屬表面起到涂裝、噴涂的效果，經(jīng)過(guò)噴砂除銹工藝處理過(guò)的金屬表面可達到干凈、有一定粗糙度的表面要求，從而提高覆蓋層與零件的結合力。

④ 化學(xué)處理法

      化學(xué)處理法實(shí)際是酸洗除銹法，利用酸性溶液與金屬氧化物（鐵銹）發(fā)生化學(xué)反應，生成鹽類(lèi)，而脫離金屬表面。常用的酸性溶液有：硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸。操作中將酸性溶液涂于金屬鐵銹部位讓其慢慢與鐵銹發(fā)生化學(xué)反應而去掉。鐵銹去除后應用清水沖洗，并用弱堿溶液進(jìn)行中和反應，再用清水沖洗后揩干、烘干，以防很快生銹。對酸洗過(guò)的金屬表面需要經(jīng)粗糙處理或磷化處理，主要是增加金屬表面與底漆的附著(zhù)力。

⑤ 火焰處理方法在港口設備中很少使用。

      發(fā)電機組集裝箱外殼制作通常采用噴砂處理和化學(xué)處理的方法，底座等鋼結構件和厚板可以采用噴砂處理，房體上的薄板件則需要采用酸性磷化處理的工藝。

（2）表面處理程度的判斷

① 處理標準

      在判斷表面處理的程度時(shí)，我們要引用到很多的標準。在實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì )遇到的表面處理標準主要有：

● GB 8923-88;

● ISO 8501-1:1988;

● SIS 055900:1967;

● SSPC/NACE。

      常用的是GB 8923-88和SSPC。GB 8923-88是我國的國家標準，ISO 8501則是現在普遍采用的國際標準，SIS 055900是世界上最早的影響也最大的標準。SSPC/NACE是美國使用的主要標準。中國的國家標準GB 8923等效采用于ISO 8501-1：1988。

② 外層檢查

      ISO 8501-1：1988將未涂裝過(guò)的鋼材表面原始程度按氧化皮覆蓋程度和銹蝕程度分為4個(gè)等級，分別以A、B、C、D表示，并有相應的照片對照。

● 大面積復蓋黏著(zhù)的氧化皮，而幾乎沒(méi)有鐵銹的鋼材表面；

● 已開(kāi)始銹蝕，且氧化皮已開(kāi)始剝落的鋼材表面；

● 氧化皮已因為銹蝕而剝落或者可以刮除，但在正常視力觀(guān)察下僅見(jiàn)到少量點(diǎn)蝕的鋼材表面；

● 氧化皮已因銹蝕而剝離，在正常視力觀(guān)察下，已可見(jiàn)普遍發(fā)生點(diǎn)蝕的鋼材表面。

③ 除銹等級

      鋼材表面除銹后的質(zhì)量等級分St2，St3，Sal，Sa2，Sa2.5等5個(gè)除銹等級：

● St2：徹底的手工和動(dòng)力工具除銹；

● St3：非常徹底的手工和動(dòng)力工具除銹；

● Sal：輕度的噴射或拋射除銹；

● Sa2：徹底的噴射或拋射除銹；

● Sa2.5：非常徹底的噴射或拋射除銹。

      發(fā)電機組集裝箱設備要求的鋼結構沖砂等級一定要達到Sa2.5。

（3）粗糙度的測量

      粗糙度的測量工具主要是指針式測量?jì)x和壓膜式測量?jì)x。指針式測量?jì)x對于現場(chǎng)檢測非常方便，使用也很簡(jiǎn)單。壓膜式測量?jì)x檢測的速度較慢，不適合打砂現場(chǎng)的隨時(shí)測量，但是測得的結果可以保留存檔。除此之外，還可以直接對照標準樣板進(jìn)行目視檢測。當用測量?jì)x器對打砂粗糙度進(jìn)行測量時(shí)，應在板面上均勻地選取測量位置，對不同部位的粗糙度進(jìn)行檢測，并針對不同的結果將打砂設備作出適當的調整。

      要達到Sa2.5級打砂標準，打砂密度一般要達到95％以上。打砂密度的一般檢測方法為目視法，可通過(guò)帶有刻度的放大鏡進(jìn)行觀(guān)察。

 

圖5  集裝箱式柴油發(fā)電機組右視圖

圖6  集裝箱式柴油發(fā)電機組左視圖

 

二、箱體內部的通風(fēng)量計算

 

      集裝箱式柴油發(fā)電機組采用遠置散熱器，冷卻系統與發(fā)電機組不在同一個(gè)室內，箱體內部通過(guò)隔斷隔成冷卻系統室與發(fā)電機組工作室。在工作室內，不需要考慮冷卻系統的冷卻風(fēng)量，采用遠置散熱器后能明顯減小發(fā)電機組工作室內的進(jìn)排風(fēng)量，工作室內沒(méi)有發(fā)動(dòng)機機帶的風(fēng)扇，取而代之的是設置軸流風(fēng)機強制通風(fēng)散熱，引導工作室內空氣流動(dòng)的方向。一般情況下，軸流風(fēng)機設計在發(fā)動(dòng)機自由端頂部位置處，內部空氣流動(dòng)遵循軸向通風(fēng)原則，在發(fā)動(dòng)機空氣濾清器進(jìn)風(fēng)口處附近設置單獨的輔助進(jìn)風(fēng)百葉，保證箱體外部的冷空氣進(jìn)入箱體后能夠直接被吸到空濾器中，避免箱體內部溫升對進(jìn)氣溫度的影響。

1、工作室內通風(fēng)量理論計算

      發(fā)電機組工作室內的熱源主要主要是發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機兩大部件工作時(shí)對外的表面熱輻射。計算通風(fēng)量時(shí)還需要考慮柴油機的燃燒做功需要的空氣量。根據公式：

Q₁=[（H₁+H₂）/（D×C×?T）]+Q_{2................}（公式1)

其中：Q?——發(fā)電機組工作室內需要的總的通風(fēng)量，m³%min；

Q?——柴油機額定工況下燃燒做功需要的空氣量；m³min；

H₁——發(fā)動(dòng)機表面熱輻射熱輻射，kW；

H?——發(fā)電機表面熱輻射熱輻射，kW；

D——空氣密度，在38℃時(shí)為1.099kg/m³；

C——空氣比熱0.017kW·min/kg·℃；

?T——發(fā)電機組工作室內允許的溫升，℃，發(fā)電機組上電氣設備的元器件最高耐溫為65℃，集裝箱式柴油發(fā)電機組的設計環(huán)境溫度為50℃，則箱體內部的最大溫升?T=65-50=15℃，為保留設計余量，最大溫升?T取13℃。

      查閱柴油機及發(fā)電機的性能數據單，額定工況下柴油機表面熱輻射量為117kW，發(fā)電機為51kW，則H?+H₂=127+51=168kW。額定工況下發(fā)動(dòng)機空濾器的進(jìn)氣流量Q?=5695kg/h=73m³/min

Q1=｛168/（1099x0.017x13）｝+73=765m³/min=45900m³/h

2、工作室內軸流風(fēng)機選型

      發(fā)電機組工作室內設置兩組通風(fēng)散熱用軸流風(fēng)機，強制換氣，進(jìn)而保證工作室內溫度不至于過(guò)高。軸流風(fēng)機直接從發(fā)電機組接線(xiàn)銅排上取電。

（1）軸流風(fēng)機參數：3.2kW/50Hz/AC380V，額定風(fēng)量25000m³h，靜壓125Pa。

（2）總通風(fēng)量Qg=25000×2=50000m³h>Q=45900m³h。留有9%的設計余量。

      綜上所述軸流風(fēng)機的選型滿(mǎn)足理論計算設計要求。

3、冷卻系統室的通風(fēng)散熱

      發(fā)電機組冷卻系統室內的遠置散熱器安裝處為防雨百葉窗+不銹鋼防蟲(chóng)網(wǎng)結構，主軸流風(fēng)機運行時(shí)水箱室內部形成局部負壓，外部的冷空氣通過(guò)百葉窗經(jīng)過(guò)散熱器管帶后進(jìn)入箱體內部，在主軸流風(fēng)機的作用力下從箱頂排出。進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)系統分別如圖7、圖8所示。

（1）主軸流風(fēng)機參數：37kW/50Hz/AC380V，額定風(fēng)量100000m³/h，靜壓185Pa。從發(fā)電機組接線(xiàn)銅排取電。

（2）防雨百葉窗+不銹鋼防蟲(chóng)網(wǎng)的風(fēng)阻為100Pa。

（3）箱頂的沖孔板風(fēng)阻為40Pa。

（4）主軸流風(fēng)機靜壓均大于冷卻系統室的進(jìn)排風(fēng)的風(fēng)阻并且有一定的余量，風(fēng)機可以正?？朔M(jìn)排風(fēng)阻力，保證水箱室內的通風(fēng)量，滿(mǎn)足發(fā)電機組散熱系統冷卻要求。

      此種結構冷卻系統，箱體外部的冷空氣直接進(jìn)入散熱器表面，避免了發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機熱輻射帶來(lái)箱體內部溫升的影響，冷卻效率大大提升，能夠適應高溫環(huán)境。

 

圖7  集裝箱式柴油發(fā)電機組進(jìn)風(fēng)散熱平面示意圖

圖8  集裝箱式柴油發(fā)電機組排風(fēng)散熱側面示意圖

 

三、降噪減振處理

 

1、發(fā)電機組降噪處理

      柴油發(fā)電機組的噪聲主要有排煙噪聲、進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲等。

（1）排煙噪聲是發(fā)電機組噪聲中能量最大，成分最多的部分。為消除排煙噪聲對發(fā)電機組的影響，發(fā)電機組選用高效能住宅式消聲器，消聲器后的排氣尾管設置為豎直朝天，將排煙噪聲對發(fā)電機組的影響降低到最低。

（2）降噪處理應從吸聲材料和外部隔絕兩方面入手。進(jìn)氣噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲屬于發(fā)電機組箱體內部的噪聲，需要選用合適的材料和結構來(lái)降低此部分噪聲。箱體內部在選用吸聲材料時(shí)，應能滿(mǎn)足有利于降低聲波頻譜中峰值。

（3）頻段的噪聲，因為聲能量主要集中在幾個(gè)峰值頻率，噪聲峰值降低了，總的噪聲輻射就可明顯降低。

      查閱柴油機的性能數據單，康明斯柴油機的噪聲頻譜主要集中在500-4000Hz范圍內，為此選用的吸聲材料應該在此頻段有較高的吸聲系數，綜合以上因素，箱體內部的吸聲材料選定為體積密度為36kg/m3的無(wú)堿超細玻璃棉，其吸聲系數如表1所示。

表1    集裝箱柴油發(fā)電機組噪聲頻譜和吸聲系數

（4）箱體內表面設置吸聲結構，使用無(wú)紡布為襯層包裹住超細玻璃棉材料，然后用鍍鋅沖孔板固定吸聲材料在周?chē)耐呃惆迳?。如圖9所示。

（5）發(fā)電機組工作室的進(jìn)氣處降噪結構主要由防水百頁(yè)窗+降噪百葉組成，兩者之間加裝304不銹鋼防蟲(chóng)網(wǎng)，防止發(fā)電機組運行時(shí)吸入箱體內部小蟲(chóng)子和雜物，降噪百頁(yè)使用沖孔板折彎成型，中間填充使用無(wú)紡布包裹的超細玻璃棉。其結構如圖10所示。

2、發(fā)電機組減振處理

      集裝箱式柴油發(fā)電機組內部主要的振動(dòng)源是柴油機和發(fā)電機，為避免將兩者的振動(dòng)傳遞到集裝箱發(fā)電機組外部，在柴油機、發(fā)電機和發(fā)電機組公共底座連接處安裝橡膠減振器，在發(fā)電機組公共底座與箱體的花紋地板之間安裝橡膠減振板，雙重減振，另外箱體內部的排煙管路、遠置散熱器的中冷管路及水管等中間使用膨脹節彈性相連，有效降低箱體內部的振動(dòng)向箱體外部傳遞。

 

圖9  發(fā)電機組集裝箱箱體內表面降噪措施示意圖

圖10  發(fā)電機租集裝箱體內部進(jìn)風(fēng)降噪結構圖

 

四、試驗數據及分析

 

1、試驗數據

      集裝箱式柴油發(fā)電機組成套好后，根據產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求，對方艙電站進(jìn)行熱平衡及噪聲測試試驗。

（1）試驗狀態(tài)，發(fā)電機組滿(mǎn)負荷運行，所有門(mén)體關(guān)閉，風(fēng)機調到自動(dòng)狀態(tài)，環(huán)境溫度34℃，連續運行2h，發(fā)電機組水溫穩定在88℃。

（2）分別測量方艙電站周?chē)?m處和7m處噪聲。發(fā)電機組工作室1m處噪音平均85dB（A）左右，7m處噪音75dB（A）左右。

（3）發(fā)電機組冷卻系統室1m處噪音平均95dB（A）左右，7m處噪音85dB（A）左右。

2、結果分析

      發(fā)電機組冷卻系統室周?chē)肼暺?，主要原因是主軸流風(fēng)機噪音在102dB（A）左右，進(jìn)風(fēng)結構是防雨百葉窗+不銹鋼防蟲(chóng)網(wǎng)，發(fā)電機組冷卻系統室的進(jìn)排風(fēng)未經(jīng)過(guò)消聲降噪處理，主軸流風(fēng)機的噪聲傳遞到箱體外部。

3、效果改進(jìn)

      受發(fā)電機組冷卻系統室內部尺寸限制，進(jìn)排風(fēng)處不好做消聲降噪處理，改進(jìn)設計是在箱體外部的進(jìn)排風(fēng)處加裝可拆卸式消聲降噪百葉。降噪百頁(yè)在運輸過(guò)程中需要拆卸下來(lái)，發(fā)電機組運輸到達用戶(hù)現場(chǎng)時(shí)再裝配上。改進(jìn)后重新測量發(fā)電機組噪聲。發(fā)電機組冷卻系統室1m處噪音平均85dB（A）左右，7m處噪音75dB（A）左右。達到預期的效果，滿(mǎn)足設計要求。

 

總結：

      目前集裝箱式柴油發(fā)電機組的應用范圍廣泛，通信行業(yè)、金融部門(mén)、醫院學(xué)校以及大型數據中心等都離不開(kāi)集裝箱式柴油發(fā)電機組標準集裝箱式柴油發(fā)電機組可以在不占用建筑面積的前提下置于戶(hù)外，又能防雨防曬，能快速實(shí)現供電的機動(dòng)性，可靠安全的提供應急電源。對比于普通的開(kāi)式發(fā)電機組而言其具有靜音、方便制造、運輸、維護、保養等目的。集裝箱式柴油發(fā)電機組已在市場(chǎng)上經(jīng)過(guò)小批量驗證，市場(chǎng)反饋良好。冷卻系統運行可靠，發(fā)電機組維護保養方便，能夠在高溫環(huán)境下持續工作，運輸方便，可辦理箱證作為20尺標準貨柜發(fā)運。目前市場(chǎng)上對于大功率靜音型發(fā)電機組需求量越來(lái)越多，尤其是東南亞、中東、北非及南美地區等，該款集裝箱式柴油發(fā)電機組是市場(chǎng)上為數不多的能將1000KW（PRP功率）發(fā)電機組集成在20尺集裝箱內的產(chǎn)品，有很強的市場(chǎng)競爭力，具有良好的經(jīng)濟與社會(huì )效益。

 

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